直升机自适应扁平组网技术研究

2024-05-23高忠长

通信电源技术 2024年7期

高忠长，王星，唐敏

（31621 部队，北京 101121）

0 引言

在当今不断进步的军事科技领域，直升机作为一种多用途的工具，其在攻击、电子对抗及搜索营救等方面的应用日益广泛[1-4]。目前，直升机训练网络通常采用有中心的组网方式，地面基站负责为空中通信终端和地面通信终端分配网络资源，以实现信息传输和管理。这种方式下，中心节点易成为性能瓶颈和安全风险点，限制网络的扩展性和适应性，直接影响直升机在复杂任务中的有效执行。

文章针对在中心组网模式下中心节点受地域限制或出现故障导致通信受限的问题，提出一种可自适应切换的扁平网络。在地面基站无法发挥中心节点作用时，通信网络自动切换至无中心自组网结构，通过互同步、按需路由及动态资源分配等机制，实现终端节点的无线通信传输与网络随遇接入，从而提升直升机通信网络在网络性能和资源利用率方面的潜力，使其更好地适应复杂多变的作战环境。

1 自适应切换扁平网络

在直升机训练场景中，网络结构的设计对于通信的可靠性和效率至关重要。通常情况下，直升机训练网络采用有中心组网模式，以“集中、统一”为原则进行节点的组网，依赖于中心节点（地面基站）来控制其他节点。在该模式下，中心节点负责分发同步信息，完成网络资源管理，而空中节点与地面节点之间需要通过地面基站完成点对点间通信。中心节点拥有强大的处理能力和广泛的覆盖范围，能够有效管理多个节点。整个网络结构以中心控制和集中式管理为核心，以确保网络的可靠性、稳定性及安全性。

受地形、天气等外部因素影响，网络内节点可能无法及时接收来自地面基站的同步信息，导致节点间通信异常。采用自适应切换机制，网络将自动切换到“端到端”的无中心拓扑结构[5]。无中心组网模式如图1 所示。在这种模式下，所有节点被视为平等且独立的，网络不再依赖于任何特定的中心节点。各节点之间直接通信，网络链路自动维护，路由计算自动进行，业务数据无须经过中心节点转发，提升节点间的通信效率。同时，该结构能够随时接受新的入网节点，也能够随时删除离网节点，无须进行额外配置。

图1 无中心组网模式

2 自适应扁平网络的组网与传输

将网络结构切换为无中心网络，为实现空中节点和地面节点能够随时接入网络，以及任意节点间的无线通信传输，需要采取网络互同步、按需路由以及动态资源分配等策略。

2.1 基于互同步的全网时钟同步

基于时分多址（Time Division Multiple Address，TDMA）体制的自适应扁平网络是一种具有灵活性和健壮性的网络结构，其结构包含4 种不同类型的时隙，分别是接入时隙、控制时隙、业务时隙及保护时隙。其中，控制时隙起着关键作用，用于传输网络同步所需的重要信息，包括时间基准、时隙号及节点号等。这些信息约束各个节点在发送和接收数据的时间，避免冲突，从而保证数据的正确传输和处理[6]。

互同步方案的实施主要依赖于节点之间的相互影响和交互，每个节点在启动时会周期性地发送时间基准信号。当节点接收到其他节点发送的时间基准信号时，会根据接收到的时间基准信息适当的调整本地时钟，从而与其他节点保持同步。这种交互主要在一跳节点之间进行，多个节点的时钟向中间值调整，最终实现整个网络的同步。

当自适应扁平网络中只有部分节点搜索不到中心节点同步信息时，其余部分节点仍与地面基站保持同步。此时，其余受影响的节点网络切换至无中心网络结构。网络结构切换后，网内各个节点会搜索周围其他节点的控制时隙。如果某个节点在一段时间内没有搜索到任何一个节点的信息，表明该节点周围没有可直接通信的节点，此时该节点可发出自己的控制信息，主动发起组网；如果连续几次搜索到同一个节点的控制信息，那么可将其作为自己的初始同步节点，向其发出入网申请；如果收到多个节点的控制信息，选择节点号最小的节点发出入网申请。根据该节点的交通导向发展（Transit Oriented Development，TOD）信息，调整本地时隙。以地面节点2 向空中节点2 同步为例，其互同步时间计算过程如图2 所示。

图2 互同步时间计算过程

图2 中，T1和T4分别表示地面节点2 发送入网请求信息和收到时间信息包的时间（以地面节点2 时间系统为参照），T2和T3分别表示空中节点2 收到入网请求信息和发出时间信息包的时间（以空中节点2 时间系统为参照），δ1和δ2分别表示入网请求和反馈信息在无线信道传播所消耗的时间。假设空中节点2 的时钟比地面节点2 的时钟快θ，可以得到

考虑无线信道网络拓扑变化较慢，可将传输信道看做对称信道。入网请求和反馈信息的传播时间是相等的，由此推断得到地面节点2 需要调整的时隙为

根据式（2）可以实现地面节点2 与空中节点2的同步。

通过节点间互同步方案为无中心自组网提供一种有效的方式来实现全网的时间同步。通过节点之间的相互影响和交互，网络能够自动地调整和维护自身的状态，确保数据的可靠传输和处理。

2.2 基于AODV 的按需路由

在自适应扁平对抗网络中，空中节点与地面节点之间仅存在一跳业务传输，意味着网络只需要维护两跳路由信息。当网络切换至无中心网络结构时，采用无线自组网按需平面距离向量路由（Ad hoc On-Demand Distance Vector，AODV）的路由方案。

AODV 是一种典型的按需路由协议，适用于无线自组网环境。在自适应扁平对抗网络中，采用AODV可以使得节点能够根据实际需求建立临时的路由路径，以实现数据的可靠传输。

该路由方案的运作原理如下：第一，当某一个节点需要建立连接时，会广播连接建立的请求消息到周围的节点；第二，其他节点在接收到这个请求消息后，会记录消息中的源节点信息，并转发该请求消息；第三，转发请求消息的节点会在转发时记录到达该节点的路径信息，即临时路由；第四，当目标节点收到连接请求后，会生成一个响应消息并发送到源节点；第五，响应消息沿着之前记录的临时路由返回源节点，从而建立起连接。

按需路由方案能够在需要时动态地建立路由，避免维护整个网络拓扑结构的开销。每个节点只在需要时才会记录和转发路由信息，减少网络中路由信息的维护和更新的复杂性。

2.3 基于资源预留的动态资源分配

在有中心组网模式下，当地面基站作为中心节点正常工作时，资源根据当前的应用场景、业务类型及网络容量进行规划。终端节点通过一种“申请-分配”的方式向地面基站请求时隙资源，进而降低资源冲突概率，提高资源分配的灵活性。

在无中心组网模式下，针对仅存在一跳业务传输的情况，设计一种基于资源预留的动态资源申请方案。该方案将自适应扁平网络的数据时隙划分为竞争时隙和预留时隙2 部分。其中，竞争时隙基于时隙ALOHA 协议，由网络内的各用户进行抢占。预留时隙则根据抢占情况，为抢占成功的用户提供数据传输服务。以空中节点2 向地面节点3 传输数据为例，描述资源预留和传输过程的时序图如图3 所示。

图3 资源预留和传输时序

在竞争时隙中，空中节点2 和其他节点同时发送资源申请请求。这些请求消息通过时隙ALOHA 协议进行竞争，可能会出现碰撞。地面节点会监听这些竞争时隙，并记录抢占成功的节点。在预留时隙中，地面节点根据竞争时隙中抢占成功的节点情况，为这些节点分配时隙资源，并提供数据传输服务。因此，对于空中节点2 向地面节点3 传输数据的情况，地面节点将为空中节点2 预留一定数量的时隙，用于数据传输。然后，空中节点2 利用分配的时隙资源，进行数据传输，将数据发送给地面节点3。地面节点在指定的时隙中接收来自空中节点2 的数据，并进行相应处理。

在网络中，各个节点完成同步后会建立并维护一跳节点的收发状态信息。当某一节点有数据要传输时，会在竞争时隙中发送请求发送（Request To Send，RTS）信号。其他节点在接收到这个RTS 信号后，通过查验信号中的路由信息头判断自己是否为目标节点。如果是目标节点，则在竞争时隙中发送清除发送（Clear To Send，CTS）信号作为响应。完成握手交互后，数据传输才会开始。传输完成后，节点会发送确认（Acknowledgment，ACK）信号来终止数据传输过程。

这种基于RTS/CTS 信号的握手机制能够有效地避免数据碰撞和冲突，确保数据传输的可靠性和有效性。通过在竞争时隙中进行这些信号的交互，节点能够协调地完成数据传输过程，从而提高网络的性能和效率。